2024年4月28日发(作者:)
实时操作系统µC/OS II下TCP/IP协议栈的实现
摘要: 结合ez80和ARM7两种系统上的具体实现,说明了如何在嵌入式实时操作系统
µC/OSII上移植实现LwIP这套TCP/IP协议栈,使µC/OS II成为支持网络的RTOS。
关键词: µC/OS II,TCP/IP,LwIP,网络设备驱动
引言
随着嵌入式系统与网络的日益结合,在嵌入式实时操作系统中引入TCP/IP协议栈,以
支持嵌入式设备接入网络,成为嵌入式领域重要的研究方向。µC/OS II是近年来发展迅速的
一个开放源码实时操作系统,但它只是一个实时的任务调度及通信内核,缺少对外围设备和
接口的支持,如没有文件系统、网络协议、图形界面。笔者在多个嵌入式项目的开发过程中,
以开源TCP/IP协议栈LwIP为基础,给µC/OS II加上了网络支持。下面就以µC/OS II +LwIP
分别在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的实现为例进行说明。
需要说明的是,笔者使用的ez80系统是Zilog公司的ez80190开发板,自带网络芯片。
而ARM7系统是使用笔者参与开发的Skyeye,一个基于GDB的ARM7TDMI指令级软件仿
真器。Skyeye小组最近为Skyeye加上了软件模拟的Ne2k兼容网络芯片,可以运行带网络
支持的µcLinux和µC/OS II。以下的全部相关程序和代码都可以在Skyeye网站
(/~skyeye/)下载。
1 基于µC/OS II的网络平台概述
嵌入式操作系统µC/OS II是一个公开源代码的占先式多任务的微内核RTOS,其性能和
安全性可以与商业产品竞争。µC/OS II的特点可以概括为以下几个方面:公开源代码,代码
结构清晰、明了,注释详尽,组织有条理,可移植性好。可裁剪,可固化。内核属于抢占式,
最多可以管理60个任务。µC/OS II自1992年的第一版(µC/OS)以来已经有好几百个应用,
是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。目前国内对µC/OS II的研究和应用都很多。
TCP/IP是Internet的基本协议,以其实用性、高效性已经成为事实上的工业标准。嵌入
式设备要与Internet网络直接交换信息,就必须支持TCP/IP协议。目前嵌入式设备上TCP/IP
方案有很多种,但面向低端应用的开源嵌入式网络平台还很少见。
µC/OS II是一个富有开放色彩的RTOS,只要买一本书就可获得源代码,对学校和教育
的使用完全免费,商业应用的费用相对也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是
完全商业化的,用户需要付费才能获得,很少给出源代码,这影响了µC/OS II的研究和推
广。通过把开放源代码的TCP/IP协议栈LwIP移植到µC/OS II上来,就获得了一套可免费
研究、学习的嵌入式网络软件平台。系统示意图如图1:
应用程序(网络或非网络应用)
LwIP协议栈
µC/OS II
Ez80、Skyeye等MCU
网络设备驱动
Ne2k网络芯片
图1 µC/OS II+LwIP系统示意图
2 开源TCP/IP协议栈LwIP简介
LwIP是瑞士计算机科学院(Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等
开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight(轻
型)IP协议。LwIP可以移植到操作系统上,也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP
TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用,一般它只需
要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行,这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系
统中使用。
LwIP的特性如下:
(1) 支持多网络接口下的IP转发
(2) 支持ICMP协议
(3) 包括实验性扩展的的UDP(用户数据报协议)
(4) 包括阻塞控制,RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)
(5) 提供专门的内部回调接口(Raw API)用于提高应用程序性能
(6) 可选择的Berkeley接口API(多线程情况下)
我们目前使用的是LwIP的最新稳定版V0.5.3。有关LwIP的详细内容,可以参考其代
码和网站上的文档。
4 LwIP在µC/OS II下的实现
4.1 概述
LwIP协议栈在设计时就考虑到了将来的移植问题,因此把所有与硬件、OS、编译器相
关的部份独立出来,放在/src/arch目录下。因此LwIP在µC/OS II上的实现就是修改这个目
录下的文件,其它的文件一般不应该修改。下面分几部份分别说明相应文件的实现原理和过
程。具体的代码限于篇幅没有给出,Skyeye网站上有完整的代码和说明。
4.2 与CPU或编译器相关的include文件
/src/arch/include/arch目录下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些与CPU或编译器相关的定义,
如数据长度,字的高低位顺序等。这应该与用户实现µC/OS II时定义的数据长度等参数是
一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默认为小端存储系统
//数据类型长度的定义
typedef unsigned char u8_t;
typedef signed char s8_t;
typedef unsigned short u16_t;
typedef signed short s16_t;
typedef unsigned int u32_t;
typedef signed int s32_t;
此外还有一点:一般情况下C语言的结构体struct是4字节对齐的,但是在处理数据包
的时候,LwIP使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应的数据的,所以,一定要
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